Мікроелектронні частотні перетворювачі вологості на основі напівпровідникових структур з від’ємним опором

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.382.8

Мікроелектронні частотні перетворювачі

вологості на основі напівпровідникових

структур з від'ємним опором

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної

техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Крилик Людмила Вікторівна

Вінниця 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Осадчук Володимир Степанович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри електроніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бех Олександр Дмитрович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, м. Київ, завідувач відділом

доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри "Метрологія та промислова автоматика"

Провідна установа: Національний університет "Львівська політехніка", кафедра електронних приладів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться „31” 10 2003 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

Автореферат розісланий „ 26 ” 09 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Захарченко С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Випереджений розвиток контрольно-вимірювальних систем, основою яких є сенсори, насамперед обумовлений швидким розвитком науково-технічного прогресу, а також удосконаленням технологій мікроелектроніки.

Необхідність вимірювання рівня відносної вологості при виконанні різноманітних фізико-технологічних, біологічних та хімічних процесів пред'являють підвищені вимоги щодо характеристик первинних перетворювачів вологості, а саме: економічність, надійність, точність та чутливість до вимірювального параметру, малі габаритні розміри, масу та енергоспоживання, інформативну, конструктивну і технологічну сумісність з мікроелектронними засобами обробки інформації та можливість виготовлення за стандартною груповою інтегральною технологією. Перспективним науковим напрямком є розробка та створення первинних перетворювачів, які реалізують принцип перетворення “вологість-частота”, на основі реактивних властивостей напівпровідникових структур з від'ємним опором, значний внесок в розвиток якого внесли вітчизняні та закордонні вчені такі як О.В. Лосєв, У. Шоклі (W. Shockle), Ганн ( J.B. Gunn), Л. Есакі (L. Esaki), Ф. Бенінг, І.Д. Абезгауз, С.А. Гаряїнов, В.П. Дьяконов, А.С. Тагер, О.Н. Негоденко, Л.Н. Степанова, Ф.Д. Касімов, В.С. Осадчук, М.А. Філінюк, О.В. Осадчук, П.А. Молчанов та інші. Використання таких приладів виключає з їх конструкцій аналого-цифрові перетворювачі, що дозволяє знизити собівартість систем контролю та управління, а також створити “інтелектуальні” вимірювальні перетворювачі в результаті поєднання на одному кристалі схем обробки інформації та первинного перетворювача.

Тому необхідність розробки теоретичних підходів до створення мікроелектронних первинних перетворювачів вологості з частотним виходом на основі реактивних властивостей напівпровідникових приладів з від'ємним опором, а також розробки схем, конструкцій, експериментального дослідження параметрів, оцінюванню їх метрологічних характеристик, розробки мікропроцесорної системи вимірювання вологості та температури в промисловості з використанням частотних перетворювачів вологості та впровадження їх у виробництво є актуальним на даний час.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота проводилась у відповідності з держбюджетними фундаментальними науково-дослідними роботами: розробка математичних моделей оптоелектронних НВЧ елементів на основі арсенід-галієвих транзисторів і засобів цифрової обробки високочастотних сигналів (НДР № держ. реєстрації 0199U003434, 19982000 рр.), розробка математичних моделей мікроелектронних частотних перетворювачів на основі реактивних властивостей напівпровідникових приладів з від'ємним опором (НДР № держ. реєстрації 0102U002267, 2002 р.), а також згідно Програми розвитку електронної промисловості України на 1999-2005 рр. “Електроніка України2005”.

Основні положення дисертаційної роботи використані при розробці перетворювачів вологості у державному науково-дослідному інституті індикаторних приладів „Гелій” (м. Вінниця).

Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес при вивченні спецкурсу “Напівпровідникові перетворювачі інформації”, “Фізика напівпровідникових приладів” для студентів спеціальності 7.09.0801 “Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади”. Вийшла з друку монографія „Сенсори вологості” (2003 р.)

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка теоретичних основ, засобів побудови первинних перетворювачів вологості з частотним виходом та з поліпшеними метрологічними характеристиками, технологічно сумісних з мікроелектронною елементною базою, принцип роботи яких базується на використанні функціональної залежності реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором від зміни відносної вологості навколишнього середовища, що надає можливість створення та виготовлення конкурентноспроможних зразків цієї продукції.

Задачі дослідження:

проаналізувати існуючі перетворювачі вологості та обґрунтувати преваги перетворювачів вологи з частотним виходом по відношенню до існуючих;

розробити математичну модель резистивного та ємнісного вологочутливих елементів на основі гігроскопічних солей;

розробити фізико-математичну модель вологочутливого МДН-конденсатора;

розробити математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів вологості на основі біполярних та МДН-транзисторних структур;

виконати експериментальну перевірку математичних моделей і дослідити властивості мікроелектронних частотних перетворювачів від впливу відносної вологості навколишнього середовища.

розробити мікропроцесорну систему вимірювання вологості та температури з використанням частотних перетворювачів вологості на основі транзисторних структур з від'ємним опором;

здійснити метрологічну оцінку похибок вимірювання відносної вологості навколишнього середовища і впровадити розроблені перетворювачі у практику.

Об'єктом дослідження є процес перетворення вологості у частотний сигнал в чутливих транзисторних структурах.

Предметом дослідження є мікроелектронні частотні перетворювачі вологості на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором .

Методи дослідження ґрунтуються на використанні:

рівнянь математичної фізики під час розробки математичних моделей перетворювачів;

основних положень теорії функції комплексної змінної для визначення функції перетворення та рівняння чутливості;

диференціального, інтегрального та логарифмічного числення для створення математичних моделей ємнісного вологочутливого елементу та вологочутливого МДН-конденсатора;

теорії розрахунку нелінійних електричних кіл з використанням законів Кірхгофа для визначення повного опору частотних перетворювачів вологості на основі біполярних і МДН-транзисторних структур;

теорії ймовірності для оцінки похибок вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримані такі наукові результати:

1. Вперше запропоновано використання реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором для створення первинних перетворювачів вологості, що працюють за принципом “вологість-частота”.

2. Вперше розроблені математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів вологості, в яких на відміну від існуючих, враховано вплив відносної вологості навколишнього середовища на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів на основі біполярних і МДН-транзисторних структур з від'ємним опором, що дало змогу отримати рівняння чутливості та функції перетворення вологості у частоту.

3. Удосконалені математичні моделі резистивного та ємнісного вологочутливих елементів, які відрізняються від існуючих тим, що в них враховані фізичні процеси, що приводять до зміни електрофізичних параметрів (опору, діелектричної проникності, ємності) вологочутливої плівки на основі гігроскопічних солей NaCl, LiCl, BaCl₂ від кількості адсорбованої пари води, в результаті хімічної та фізичної адсорбції.

4. Удосконалена фізико-математична модель вологочутливого МДН-конденсатора на основі аморфного двоокису кремнію, яка відрізняється від існуючих тим, що в ній враховано залежність ємності вологочутливого шару від кількості адсорбованої водяної пари та впливу поверхневих станів на приповерхневій області напівпровідника і складового діелектрика - термічного та аморфного двоокису кремнію.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в такому:

1. В результаті математичного моделювання отримані аналітичні вирази, які можуть бути використаними для інженерного розрахунку вольт-амперних характеристик частотних мікроелектронних перетворювачів вологості, що забезпечують вибір оптимального режиму їх електричного живлення.

2. Отримані аналітичні вирази для функції перетворення і чутливості розроблених частотних мікроелектронних перетворювачів вологості, які можуть бути використані для інженерного розрахунку первинних перетворювачів вологи.

3. Розроблено частотний мікроелектронний перетворювач вологості з вологочутливим МДН-конденсатором на основі аморфного двоокису кремнію для виміру зміни відносної вологості навколишнього середовища в діапазоні від 60 % до 95 % з чутливістю від 1,55 кГц/% до 1,95 кГц/% при похибці вимірювання 1,206 % і амплітудою вихідного сигналу 2,54,5 В.

4. Розроблено частотний мікроелектронний перетворювач вологості з активним індуктивним елементом для виміру відносної вологості навколишнього середовища в діапазоні від 60 % до 95 % з чутливістю від 1,8 кГц/% до 2,55 кГц/% при похибці вимірювання 1,206 % і амплітудою вихідного сигналу 35 В.

5. Вперше запропонована конструкція вологочутливого двозатворного МДН-транзистора, в якому вологочутливий шар аморфного двоокису кремнію створений під другим затвором транзистора. Вологочутливий двозатворний МДН-транзистор використовувався як чутливий елемент частотного перетворювача вологості з активним індуктивним елементом.

6. Розроблено пакет прикладних програм в обчислювальному середовищі “Matlab 5.2” для моделювання та розрахунків характеристик розроблених мікроелектронних частотних перетворювачів вологості.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. У роботах опублікованих у співавторстві здобувачеві належать: розробка математичних моделей мікроелектронних частотних сенсорів вологості на основі реактивних властивостей вологочутливих транзисторних структур та експериментальні дослідження їх основних параметрів [1], розгляд конструкцій сенсорів вологості з гребінцеподібними електродами, конструкції сорбційних сенсорів вологості, еквівалентні схеми та конструкції вологочутливого елемента на основі Al₂O₃ [2], розробка моделей, які описують зміну опору резистивного вологочутливого елемента, а також зміну ємності ємнісного сенсора гребінцевої структури на основі гігроскопічних солей від кількості адсорбованої водяної пари [3, 4], розробка математичної моделі частотного перетворювача вологи на основі біполярної структури з від'ємним опором з вологочутливим резистивним елементом і їх експериментальна перевірка, розрахунок функції перетворення [5], розрахунок вольт-амперної характеристики та дослідження електричних параметрів частотного вологочутливого перетворювача на основі біполярних транзисторів [6], розробка математичної моделі вологочутливого МДН-конденсатора на основі аморфного двоокису кремнію, яка описує зміну активної та реактивної складової повного опору від впливу відносної вологості навколишнього середовища та їх експериментальна перевірка [7], розробка математичної моделі частотного перетворювача з двозатворним вологочутливим МДН-транзистором, на основі рішення якої отримані аналітична залежність функції перетворення, рівняння чутливості, залежності активної та реактивної складових повного опору від впливу відносної вологості і режимів електричного живлення та їх експериментальна перевірка [8], включення вологочутливого резистора у коло затвора пристрою [9], включення вологочутливого конденсатора у коло колектора біполярного транзистора і загальною шиною [10].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що викладені в дисертації, були апробовані на наукових конференціях, серед них: Міжнародний симпозіум “ Наука і підприємництво 2003” (м. ВінницяКаменець-Подільський, 2003 р.); ІХ науково-технічна конференція “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2002 р.); Міжнародна НТК “ELECTRONICS2002” (м. Каунас, 2002 р.); Міжнародна НТК “ELECTRONICS2003” (м. Каунас, 2003 р.); XXX, XXXI, XXXII науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (20012003 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у монографії “Сенсори вологості”, 4 статтях науково-фахових журналах, 3 статтях науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, отримано 2 патенти на винаходи України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу і 4 розділів, списку використаних джерел і 2 додатків. Загальний обсяг дисертації 221 сторінка, з яких основний зміст викладений на 181 сторінці друкованого тексту, містить 111 рисунків, 2 таблиці. Список використаних джерел складається з 185 найменувань. Додатки містять результати розрахунків, фрагменти програмного забезпечення та акти впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, сформульовано мету роботи та задачі дослідження. Дана характеристика наукової новизни та практичної цінності отриманих результатів. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану існуючих перетворювачів вологості, які займають домінуюче місце у вимірювальній техніці серед первинних перетворювачів різного типу, до яких на сучасному етапі розвитку науки та техніки висувають підвищені вимоги, що водночас пов'язані з автоматизацією технологічних процесів.

Показано, що за останні десятиріччя спостерігається інтенсивний розвиток сенсорів вологості на основі мікроелектроніки. Новим напрямком в розробці мікроелектронних перетворювачів вологості є створення частотних перетворювачів вологості на основі реактивних властивостей напівпровідникових структур з від'ємним опором. Використання частотного принципу роботи перетворювачів вологості дає змогу підвищити завадостійкість пристроїв, що водночас підвищує точність, отримати значно більші вихідні сигнали ніж дають амплітудні перетворювачі і покращити метрологічні та економічні показники таких пристроїв. На основі аналізу існуючих літературних джерел визначена мета та задачі досліджень, а також уточнена класифікація перетворювачів вологості.

Другий розділ присвячено розробці математичної моделі мікроелектронного частотного перетворювача вологості на основі біполярної транзисторної структури з чутливими елементами на основі гігроскопічних солей LiCl, NaCl, BaCl₂. Це викликало необхідність розробки математичних моделей резистивних і ємнісних вологочутливих елементів на основі гігроскопічних солей LiCl, NaCl, BaCl₂. Представлені теоретичні та експериментальні дослідження, в яких враховано вплив відносної вологості на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювача вологості.

На основі математичного моделювання отримано аналітичний вираз (1), який враховує зміну опору резистивного вологочутливого елементу на основі гігроскопічних солей LiCl, NaCl від кількості адсорбованої водяної пари в результаті хімічної та фізичної адсорбції поверхнею адсорбенту (сіль)

(1)

Вологочутливий резистивний елемент виготовлений на ситаловій підкладі розміром 0,7Ч0,9 см, на поверхні якої нанесена плівка міді для забезпечення кращих умов пайки провідників. Далі на поверхні мідного покриття за допомогою фотолітографії витравлений резистор у вигляді меандру з відповідною геометрією 7,85·10^-2Ч150·10^-6Ч1,2·10^-6 м. Вологочутливою плівкою резистивного елементу є гігроскопічна сіль. Згідно виразу (1) був розрахований опір вологочутливого резистивного елемента для плівок гігроскопічних солей LiCl, NaCl, BaCl₂ в середовищі пакета прикладних програм “Matlab 5.2”.

Конструктивно частотний перетворювач вологості складається з двох комплементарних біполярних транзисторів. Резистивний вологочутливий елемент перетворювача, чутливою плівкою якого є гігроскопічна сіль, підключений паралельно до опору . Еквівалентна ємність напівпровідникової структури та індуктивність створюють коливальний контур, втрати енергії в якому компенсуються від'ємним опором, котрий виникає на електродах колектор-колектор біполярної транзисторної структури.

На основі розв'язку системи рівнянь Кірхгофа методом Гауса в середовищі пакета прикладних програм „Matlab 5.2” визначена функція перетворення:

, (2)

На основі виразу (2) визначається рівняння чутливості:

(3)

де .

Представлені теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення частотного перетворювача вологості з резистивним вологочутливим елементом на основі гігроскопічних солей LiCl і NaCl від відносної вологості в діапазоні від 0 до 100 %.

Чутливість частотного перетворювача вологості при напрузі керування 4 В і напрузі живлення 8 В, в діапазоні виміру відносної вологості від 60% до 95 %, змінюється від 1800 Гц/% до 1900 Гц/%. Розбіжність теоретичних та експериментальних досліджень складає 3 %.

Для розширення діапазону виміру вологості використовується схема частотного перетворювача вологості з вологочутливою ємнісною гребінцевою структурою. Вологочутливий ємнісний елемент на основі гігроскопічних солей підключений паралельно еквівалентній ємності коливального контуру.

На основі аналізу фізичних процесів, що виникають в результаті хімічної та фізичної адсорбції на поверхні адсорбенту, отримано аналітичний вираз (4), який описує зміну ємності від впливу відносної вологості навколишнього середовища.

(4)

Згідно виразу (4) була розрахована ємність вологочутливого ємнісного елементу для плівок гігроскопічних солей NaCl, BaCl₂ за допомогою пакета прикладних програм “Matlab 5.2”.

Як і в попередньому випадку, функція перетворення визначається з системи рівнянь Кірхгофа, складеної на основі еквівалентної схеми перетворювача вологості.

Функція перетворення має вигляд:

. (5)

Рівняння чутливості визначається на основі (5) й описується виразом:

(6)

Теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення від відносної вологості для різних сольових покрить.

Чутливість перетворювача при напрузі керування 5 В і напрузі живлення 11 В, в діапазоні виміру від 60 % до 95 % змінюється від 1220 Гц/% до 1560 Гц/%.

У третьому розділі з метою вивчення властивостей частотних перетворювачів вологості на основі МДН-транзисторних структур з від'ємним опором, розглянуто механізм впливу відносної вологості на вологочутливі елементи, якими виступають МДН-конденсатор з вологочутливим шаром амарфного двоокису кремнію, а також двозатворний МДН-транзистор, вологочутливий аморфний шар якого створений під другим затвором транзистора. Розроблені математичні моделі, за допомогою яких отримані вольт-амперна характеристика, залежності активної та реактивної складових повного опору, частоти генерації від впливу відносної вологості, від режимів живлення та проведені їх експериментальні дослідження.

Встановлено, що адсорбційні властивості аморфного двоокису кремній визначаються наявністю на його поверхні силанольних груп SiOH, які притримують адсорбовані молекули води за рахунок водневих зв'язків. На основі аналізу фізичних процесів, які виникають у структурі, отримані аналітичні залежності та вологочутливого МДН-конденсатора на основі аморфного двоокису кремнію.

Схема мікроелектронного частотного перетворювача вологості складається з гібридної інтегральної схеми на основі двох комплементарних МДН-транзисторах BSH201 та BF998, живлення яких здійснюють джерела постійної напруги і , вологочутливий МДН-конденсатор підключений до другого затвору транзистора VT2.

Функція перетворення та рівняння чутливості, як і в попередніх випадках, визначені з системи рівнянь Кірхгофа. Чутливість перетворювача вологості з вологочутливим МДН-конденсатором, в діапазоні виміру відносної вологості від 60 % до 95 % змінюється від 1550 Гц/% до 1950 Гц/%

Подальше покращення метрологічних параметрів перетворювачів вологості можливе в застосуванні вологочутливої МДН-транзисторної структури та активного індуктивного елемента на основі транзистора VT3. Ємність коливального контуру автогенератора реалізується ємнісною складовою повного опору на електродах стік-стік польового транзистора VT1 та двозатворного польового транзистора VT2, а індуктивність реалізується індуктивною складовою повного опору на електродах стік-витік транзистора VT3. Вологочутливим елементом виступає двозатворний транзистор VT2, під електродом другого затвора якого створений вологочутливий аморфний шар двоокису кремнію.

На основі нелінійної еквівалентної схеми пристрою, що описується системою рівнянь Кірхгофа, визначена активна та реактивна складові повного опору, функція перетворення та рівняння чутливості.

Функція перетворення має вигляд

, (7)

На основі виразу (7) визначена чутливість перетворювача

 (8)

де

,

, , ,

, .

Теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення частотного перетворювача вологості на основі транзисторів КП301В і КП327АИ.

Чутливість перетворювача з активним індуктивним елементом в діапазоні виміру відносної вологості від 60 % до 95 % змінюється від 1800 Гц/% до 2550 Гц/%. Розраховано узагальнені показники технічної досконалості, за якими розроблені мікроелектронні частотні перетворювачі вологості кращі в 1,46 рази в порівнянні з існуючими, найкращою структурою по чутливості є структура з активним індуктивним елементом. Адекватність розробленої моделі в порівнянні з експериментом визначено у вигляді відносної похибки, яка становить 3 %.

У четвертому розділі запропоновано використання розроблених пристроїв у системі вимірювання температуро-вологістних параметрів в складських приміщеннях харчової промисловості на основі автономного кондиціонера, в якому вимірювання температури та відносної вологості здійснюють мікроелектронні частотні перетворювачі температури та вологості на основі транзисторних структур з від'ємним опором. Розроблена принципова схема вимірювальної системи температуро-вологістних режимів, яка складається з блоку для здійснення вимірювання температури та відносної вологості в складському приміщені, який містить 16-розрядний мікроконтролер AT90S8515 фірми ATMEL, монітор скиду КР1171СП42, інтерфейс програмування контролера, кварцовий резонатор, мікросхему ADM232LJN перетворювача рівня для інтерфейсу RS-232 для підключення до персонального комп'ютера через порт СОМ, мультиплексор 74АС11250 для підключення 6 мікроелектронних частотних перетворювачів температури та 6 мікроелектронних частотних перетворювачів вологості. Визначені апроксимовані залежності частоти генерації від впливу температури та відносної вологості, які описані аналітичними функціями, мікроелектронних частотних перетворювачів температури та відносної вологості. Розраховані статичні похибки мікроелектронних частотних перетворювачів вологості та температури. Так, для мікроелектронних частотних перетворювачів температури на основі біполярної транзисторної структури похибка від коливання напруги живлення становить 0,118 %/В, а від коливань температури 0,128 %/⁰С. Для частотних перетворювачів вологості на основі МДН-транзисторної структури з вологочутливим МДН-конденсатором, відповідно, 0,122 %/В та 2,98810³ %/⁰С, мультиплікативна похибка перетворювача вологості, в діапазоні виміру відносної вологості від 60% до 95 % змінюється від 0,13 % до 0,36 %, адитивна в цьому ж діапазоні виміру відносної вологості 0,12542 % до 0,125552 %. Сумарна похибка системи вимірювання температуро-вологістних параметрів в складських приміщеннях становить 1,206 %.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі в науковому аспекті розроблені математичні моделі як вологочутливих елементів на основі МДН-структур, ємнісних та резистивних структур, так і математичні моделі мікроелектронних частотних вологочутливих перетворювачів на основі нелінійних еквівалентних схем, що дозволило отримати вольт-амперні характеристики, функції перетворення і рівняння чутливості розроблених приладів.

В інженерно-технічному аспекті створено новий клас мікроелектронних частотних перетворювачів вологості на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором, які працюють у широкому діапазоні частот від 10³ Гц до 10⁷ Гц.

Розроблено пакет прикладних програм в обчислювальному середовищі „Matlab 5.2” для моделювання та розрахунків характеристик перетворювачів вологості з врахуванням впливу відносної вологості навколишнього середовища на реактивні властивості і від'ємний опір напівпровідникових біполярних і МДН-транзисторних структур.

Отримано такі основні наукові та практичні результати:

1. Вперше запропоновано використання реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором для створення первинних перетворювачів вологості, що працюють по принципу “вологість-частота”.

2. Вперше розроблені математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів вологості, в яких на відміну від існуючих, враховано вплив відносної вологості навколишнього середовища на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів на основі транзисторних структур з від'ємним опором, що дало змогу отримати рівняння чутливості і функції перетворення відносної вологості у частоту.

3. Удосконалені математичні моделі резистивного та ємнісного вологочутливих елементів, які відрізняються від існуючих тим, що в них враховані фізичні процеси, що приводять до зміни електрофізичних параметрів (опору, діелектричної проникності, ємності) вологочутливої плівки на основі гігроскопічних солей NaCl, LiCl, BaCl₂ від кількості адсорбованої пари води, в результаті хімічної та фізичної адсорбції.

4. Удосконалена фізико-математична модель вологочутливого МДН-конденсатора на основі аморфного двоокису кремнію, яка відрізняється від існуючих тим, що в ній враховано залежність ємності вологочутливого шару від кількості адсорбованої водяної пари та впливу поверхневих станів на приповерхневій області напівпровідника і складового діелектрика - термічного та аморфного двоокису кремнію.

5. В результаті математичного моделювання отримані аналітичні вирази, які можуть бути використані для інженерних розрахунків вольт-амперних характеристик, функції перетворення та чутливості розроблених мікроелектронних частотних перетворювачів вологості.

6. Вперше запропонована конструкція вологочутливого двозатворного МДН-транзистора, в якому вологочутливий шар аморфного двоокису кремнію створений під другим затвором транзистора. Вологочутливий двозатворний МДН-транзистор використовувався як чутливий елемент частотного перетворювача вологості з активним індуктивним елементом.

7. Розроблено частотний мікроелектронний перетворювач вологості з вологочутливим МДН-конденсатором на основі аморфного двоокису кремнію для виміру зміни відносної вологості в діапазоні від 60 % до 95 % з чутливістю від 1,55 кГц/% до 1,95 кГц/%.

8. Розроблено частотний мікроелектронний перетворювач вологості з активним індуктивним елементом, вологочутливим елементом, якого слугує двозатворний МДН-транзистор, в діапазоні виміру відносної вологості від 60 % до 95 % з чутливістю від 1,8 кГц/% до 2,55 кГц/%.

9. Розроблено вимірювальний блок температуро-вологістних режимів для виміру відносної вологості та температури в складських приміщеннях харчової промисловості. Сумарна похибка системи вимірювання становить 1,206 %. Аналіз проведених теоретичних і експериментальних досліджень показав, що математична модель описує поведінку перетворювача з похибкою 3 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Крилик Л.В. Сенсори вологості. Вінниця: „УНІВЕРСУМВІННИЦЯ”, 2003. 208 с.

2. Осадчук В.С., Крилик Л.В. Аналіз давачів вологості і перспективи їх розвитку // Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2002. № 1. С. 57 64.

3. Осадчук В.С., Крилик Л.В. Дослідження резистивних вологочутливих елементів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2001. № 6. С. 148152.

4. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Євсєєва М.. В., Крилик Л.В. Дослідження ємнісних вологочутливих елементів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2002. № 5. С. 65 71.

5. Осадчук В.С., Осадчук А.В., Крылик Л.В. Исследование частотного преобразователя влажности на основе биполярной структуры с отрицательным сопротивлением // Elektronika ir Elektrotechnika. 2002. № 3 (38). Р. 73 77.

6. Крилик Л.В., Прокопова М.О. Дослідження електричних параметрів частотного вологочутливого перетворювача на основі біполярних транзисторів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. Збірник наукових праць. Випуск № 9 (2002). Том 1. Хмельницький: ТУП, 2002. С.58 62.

7. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Крилик Л.В. Математична модель вологочутливого елемента на основі МДН-конденсатора // Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2003. № 1. С. 81 84.

8. Осадчук В.С., Осадчук А.В., Крылик Л.В. Математическая модель микроэлектронного частотного преобразователя с влагочувствительным МДП-транзистором. // Elektronika ir Elektrotechnika. 2003. № 2 (44). С. 54 59.

9. Пат. № 46483 А України, МКІ G 01 N 27/12. Напівпровідниковий пристрій для виміру вологості / Осадчук В.С., Осадчук О.В., Крилик Л.В.? № 2001075284; Заявл. 24.07.2001; Опубл. 15.05.2002. Бюл. № 5. ? 2 с.

10. Пат. № 46385 А України, МКІ G 01 N 27/12. Вимірювач вологості / Осадчук В.С., Осадчук О.В., Крилик Л.В. ? № 2001074689; Заявл. 05.07.2001; Опубл. 15.05.2002. Бюл. № 5. ? 2 с.

АНОТАЦІЯ

Крилик Л.В. Мікроелектронні частотні перетворювачі вологості на основі напівпровідникових структур з від'ємним опором. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2003.

Дисертаційна робота присвячена розробці нового класу мікроелектронних перетворювачів вологості з частотним виходом на основі напівпровідникових структур з від'ємним опором, принцип роботи яких базується на функціональній залежності реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором від впливу відносної вологості навколишнього середовища, що надає можливість створення та виготовлення конкурентноспроможних зразків цієї продукції.

У дисертаційній роботі розроблені теоретичні підходи до створення мікроелектронних первинних перетворювачів вологості з частотним виходом у вигляді біполярних та польових транзисторних структур на основі розв'язку рівняння Пуассона, основних положень теорії комплексної змінної, що дало можливість отримати залежність активної і реактивної складових повного опору, функції перетворення та рівняння чутливості від впливу відносної вологості навколишнього середовища та доведено, що ці залежності є суттєвими для створення нового класу мікроелектронних частотних перетворювачів вологості з поліпшеними метрологічними та економічними показниками. Вперше розроблені математичні моделі частотних мікроелектронних перетворювачів вологості, в яких на відміну від існуючих, враховано вплив відносної вологості навколишнього середовища на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів на основі біполярних і МДН-транзисторних структур з від'ємним опором, що дало змогу отримати рівняння чутливості і функції перетворення відносної вологості у частоту. Розроблено пакет прикладних для моделювання та розрахунків характеристик розроблених мікроелектронних частотних перетворювачів вологості.

Ключові слова: частотний перетворювач вологості, частота, відносна вологість, функція перетворення, чутливість.

мікроелектронний перетворювач вологість від'ємний

АННОТАЦИЯ

Крылик Л.В. Микроэлектронные частотные преобразователи влажности на основе полупроводниковых структур с отрицательным сопротивлением. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Винницкий национальный технический университет, Винница, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ и практической реализации нового класса микроэлектронных первичных преобразователей влажности с частотным выходом на основе полупроводниковых структур с отрицательным сопротивлением, принцип работы которых основан на функциональной зависимости реактивных свойств транзисторных структур с отрицательным сопротивлением от воздействия относительной влажности среды, что дает возможность создания и разработки конкурентноспособных образцов этой продукции.

В диссертационной работе разработаны теоретические подходы к созданию микроэлектронных первичных преобразователей влажности с частотным выходом в виде биполярных и полевых транзисторных структур на основе решения уравнения Пуассона, основных положений теории комплексной переменной, что дало возможность получить зависимости активной и реактивной составляющих полного сопротивления, функции преобразования и уравнения чувствительности от влияния относительной влажности окружающей среды и доказано, что эти зависимости являются существенными для создания нового класса микроэлектронных частотных преобразователей влажности на основе полупроводниковых структур с отрицательным сопротивлением с улучшенными метрологическими и экономическими показателями. На основе анализа физических процессов, которые возникают в результате адсорбции водяного пара с окружающей среды, усовершенствованы физико-математические модели влагочувствительных элементов на основе резистивных, емкостных и транзисторных влагочувствительных структур.

Гибридная интегральная микросхема частотного преобразователя с резистивным влагочувствительным элементом состоит из двух комплементарных биполярных транзисторов, резистивный влагочувствительный элемент преобразователя подключается параллельно к одному из сопротивлений резистивного делителя. Эквивалентная емкость, которая возникает на электродах коллекторов биполярных транзисторов и внешняя индуктивность создают колебательный контур, частота генерации которого зависит от относительной влажности окружающей среды. Для расширения диапазона измерения влажности в качестве влагочувствительного элемента используется влагочувствительная емкостная гребенчатая структура на основе гигроскопических солей, которая подключается параллельно эквивалентной емкости колебательного контура биполярной транзисторной структуры.

Дальнейшее улучшение параметров влагочувствительных частотных преобразователей возможно на основе использования МДН-влагочувствительных структур. Конструктивно влагочувстительный преобразователь состоит из двух комплементарных МДН-транзисторов, влагочувствительный МДН-конденсатор на основе аморфной двуокиси кремния подключен к второму затвору двухзатворного МДН-транзистора. При этом колебательный контур автогенератора образован внешней индуктивностью и емкостью, которая возникает на электродах сток-сток МДН-транзисторов. Дальнейшее улучшение метрологических параметров влагочувствительных преобразователей возможно при использовании влагочувствительной МДН-транзисторной структуры в виде гибридной интегральной микросхемы с активным индуктивным элементом на основе МДН-транзистора с RC-цепью. Это позволяет под воздействием относительной влажности изменять эквивалентную емкость транзисторной структуры колебательного контура, что повышает чувствительность, точность преобразования влажности в частотный сигнал.

Впервые разработаны математические модели, в которых учтено влияние относительной влажности окружающей среды на элементы нелинейных эквивалентных схем преобразователей на основе биполярных и МДН-транзисторных структур с отрицательным сопротивлением, которые описаны системами уравнений, на основе которых определены функции преобразования и уравнения чувствительности.

Разработаны пакеты прикладных программ в вычислительной среде “Matlab 5.2” для моделирования и вычислений характеристик разработанных микроэлектронных частотных преобразователей влажности. Анализ теоретических и экспериментальных исследований подтвердил адекватность разработанных моделей с погрешностью 3 %. Предложено использование микроэлектронных частотных преобразователей влажности в системе измерений температуры и относительной влажности на основе автономного кондиционера. Рассчитаны погрешности частотных преобразователей влажности и температуры, а также определена суммарная погрешность системы измерений, которая составляет 1,206 %.

Ключевые слова: частотный преобразователь влажности, частота, относительная влажность, функция преобразования, чувствительность.

ABSTRACT

Krilik L.V. Microelectronic frequency converters of humidity on the basis of semiconducting structures with negative resistance. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.05 - elements both devices of computer technology and management systems. Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2003.

In the dissertation is devoted to development of the new class of microelectronic converters of humidity with a frequency output on the basis of semiconducting structures with negative resistance, the principle of which operation is founded on a functional connection of reactive properties of transistor structures with negative resistance from influence of a relative humidity of an environment, that represents possibility of creation and the manufacture is competitive capable is model of this production.

In the dissertation the theoretical approaches to creation of microelectronic primary converters of humidity with a frequency output as bipolar and field transistor structures are designed on the basis of the decision of a Poisson equation, original positions of the theory of a complex variable, that has enabled to receive dependence of a active and reactive component complete resistance, functions of conversion and equation of sensitivity from influence of a relative humidity of an environment and is proved, that these dependences are essential to creation of the new class of microelectronic frequency converters of humidity with improved metrology and economic metrics. Mathematical models of frequency microelectronic converters of humidity for the first time are designed, in which as against existing, the influence of a relative humidity of an environment to elements of nonlinear equivalent circuits of converters is taken into account on the basis of bipolar and MOSFET-transistor structures with negative resistance, which have enabled to receive the equation of sensitivity and function of conversion of a relative humidity in frequency. The application package for simulation analysis and calculations of the characteristics of designed microelectronic frequency converters of humidity is designed.

Keywords: a frequency converter of humidity, frequency, relative humidity, function of conversion, sensitivity.

Размещено на Allbest.ru

...